TRANSISTOR Il transistor è alla base dell‘ Elettronica. E’ un dispositivo a semiconduttore largamente usato sia nell'elettronica analogica che digitale. I primi componenti realizzati risalgono al 1925 dove il fisico Julius Edgar Lilienfeld descrive un dispositivo simile all’attuale transistor ad effetto di campo,tuttavia il primo prototipo funzionante fu realizzato solo nel 1947. Col tempo i transistor sostituiscono le valvole termoioniche o triodi ,viste le loro funzioni quasi equivalenti.

CARATTERISTICHE Il transistor è composto da un materiale semiconduttore(principalmente silicio) al quale sono applicati tre terminali che lo collegano al circuito esterno. L'applicazione di una tensione elettrica o di una corrente a due terminali permette di regolare il flusso di corrente che attraversa il dispositivo, e questo permette di amplificare il segnale in ingresso. Il funzionamento del transistor è basato sulla giunzione p-n. Le principali funzioni che gli vengono affidate all'interno di un circuito elettronico sono: L'amplificazione di un segnale in entrata. Il funzionamento da interruttore (switch). I transistor possono lavorare in maniera individuale oppure essere utilizzati anche in grande numero all'interno dei circuiti integrati. Inoltre, la corrente elettrica o la differenza di potenziale in uscita da un transistor possono essere anche maggiori delle rispettive grandezze in entrata.

DIVERSI TIPI DI TRANSITOR Esistono principalmente due diverse tipologie di transistor, il transistor a giunzione bipolare ed il transistor ad effetto di campo, ed è possibile miniaturizzare i dispositivi di entrambe le categorie all'interno di circuiti integrati, il che lo rende un componente fondamentale nell'ambito della microelettronica. Di seguito descritti i principali tipi di transistor:

TRANSISTOR AD EFFETTO DI CAMPO Il transistor a effetto di campo, anche conosciuto con l'abbreviazione FET, è una tipologia di transistor largamente usata nel campo dell'elettronica digitale e diffusa, in maniera minore, nell'elettronica analogica. Si tratta di un substrato di materiale semiconduttore drogato, solitamente il silicio, al quale sono applicati quattro terminali: una porta, una sorgente, un pozzo ed un substrato; quest'ultimo, se presente, è generalmente connesso alla sorgente e se non presente è connesso al terminale esterno della porta. Il principio di funzionamento del transistor a effetto di campo si fonda sulla possibilità di controllare la conduttività elettrica del dispositivo, e quindi la corrente elettrica che lo attraversa, mediante la formazione di un campo elettrico al suo interno. Il processo di conduzione coinvolge solo i portatori di carica maggioritari, pertanto questo tipo di transistore è detto unipolare. La diversificazione dei metodi e dei materiali usati by realizzazione del dispositivo ha portato alla distinzione di tre principali famiglie di FET: JFET, MESFET e MOSFET.

JFET Il transistor ad effetto di campo a giunzione, anche conosciuto con l'abbreviazione JFET,[1][2] è una tipologia di transistor ad effetto di campo, da considerarsi un ibrido tra il transistor a giunzione bipolare e il transistor a metallo ossido semiconduttore a effetto di campo (MOSFET). È un dispositivo costruito come sandwich di semiconduttori drogati in modo diverso (P-N-P o N-P-N). L'intero funzionamento si basa sull'estensione della zona di svuotamento all'interno di un canale, in seguito alla polarizzazione inversa di una giunzione, che viene localizzata tra il terminale di gate e quello di source. Il canale in cui transita la corrente può essere di tipo N o di tipo P. Le estremità del canale sono collegate a due terminali: il source ed il drain. Per contraddistinguere questi due terminali, possiamo paragonare il source all’emettitore del transistor bipolare, ed il drain al collettore. A differenza del transistor bipolare pero' i terminali non sono fissi ma la loro posizione dipende dai potenziali applicati. Diventa morsetto drain quello a potenziale maggiore. L’elemento di controllo (analogo alla base del transistor bipolare) si chiama gate, e viene realizzato attraverso una giunzione che, polarizzata inversamente, ostruirà il passaggio di carica nel canale. Il gate viene polarizzato ad un potenziale inferiore al source (ed al drain). Si crea pertanto una zona di svuotamento. Diminuendo ulteriormente la tensione di gate rispetto al source, la zona di svuotamento si estenderà ulteriormente fino a produrre una chiusura del canale (CUT-OFF): in tal caso, l’applicazione di una differenza di potenziale fra drain e source non comporterà alcun passaggio di carica, ed il dispositivo risulterà interdetto. In particolari condizioni di polarizzazione il canale risultera' invece strozzato (ma non chiuso, PINCH-OFF) e anche aumentando la tensione tra drain e source la corrente rimarra' costante poiché i portatori raggiungono la velocità massima consentita dalla fisica del materiale.

MESFET Il transistor a effetto di campo metallo-semiconduttore, anche conosciuto con l'abbreviazione MESFET, è simile ad un JFET, con la differenza che il gate viene realizzato con una giunzione Schottky al posto della giunzione p-n. Sono normalmente costruiti in GaAs, InP o SiC e sono dunque più veloci ma più costosi dei JFET o dei MOSFET realizzati in silicio. I MESFET possono operare fino alla frequenza di circa 45 GHz e sono componenti spesso utilizzati per la costruzione di sistemi a microonde. La principale limitazione dei MESFET risiede nella scarsa mobilità delle lacune all'interno dei materiali dei gruppi III-V: se si volesse realizzare un sistema CMOS tramite MESFET non sarebbe possibile ottenere le stesse prestazioni in frequenza per i dispositivi a canale p e a canale n. Il MESFET è un dispositivo a quattro terminali: Gate, Source, Drain e Body. Analogamente ad un JFET il MESFET è realizzato in modo da avere un canale di conduzione modulato da un allargamento di una zona di svuotamento controllata dal gate. A differenza dei JFET, dove il canale di conduzione viene controllato dallo svuotamento di una giunzione PN, in un MESFET viene realizzata una giunzione Schottky sul gate (tipicamente Al su GaAs-n), con il risultato di combinare l'elevata mobilità dei materiali III-V con la capacità di svuotamento del metallo, principale vantaggio dei diodi Schottky.

MOSFET In elettronica, il MOSFET, acronimo del termine inglese metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, ovvero transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo. è una tipologia di transistor ad effetto di campo largamente usata nel campo dell'elettronica digitale, ma diffusa anche nell'elettronica analogica. Come per gli altri anche il mosfet ha 3 terminali: Source, Gate, Drain (Sorgente, Porta, Pozzo o Collettore). vedi approfondimento

TRANSISTOR A GIUNZIONE BIPOLARE è una tipologia di transistor largamente usata nel campo dell'elettronica analogica principalmente come amplificatore e interruttore. Esso è composto da tre strati di materiale semiconduttore drogato, solitamente silicio, in cui lo strato centrale ha drogaggio opposto agli altri due, in modo da formare una doppia giunzione p-n. Ad ogni strato è associato un terminale: quello centrale prende il nome di base, quelli esterni sono detti collettore ed emettitore. Il principio di funzionamento si fonda sulla possibilità di controllare la conduttività elettrica del dispositivo, e quindi la corrente elettrica che lo attraversa, mediante l'applicazione di una tensione tra i suoi terminali. Tale dispositivo coinvolge sia i portatori di carica maggioritari che quelli minoritari, e pertanto questo tipo di transistore è detto bipolare. Costituisce la famiglia più diffusa in elettronica insieme al transistor ad effetto di campo rispetto a cui è in grado di offrire una maggiore corrente in uscita con lo svantaggio tuttavia di non avere il terminale di controllo isolato (gate).

BJT E GIUNZIONI Il bjt è costituito da 3 regioni adiacenti di materiale semiconduttore drogate alternativamente di tipo P (atomi di boro)e di tipo N (atomi di fosforo). Nel dispositivo sono presenti 3 giunzioni:JBE (base – emettitore) e JBC (base – collettore) e 3 terminali (pin) : il centrale si chiama Base, gli altri due Emettitore e CollettoreLa regione di base è molto piccola e molto meno drogata rispetto alle regioni di emettitore e di collettore. La più drogata è quella di emettitore. nel BJT l’ Emettitore emette gli elettroni che vengono attratti in Base, tenuta a un potenziale + alto. Dalla Base gli elettroni vengono attratti verso il Collettore, tenuto a un potenziale + alto della Base. . Possiamo avere due tipi di transistor bipolari: NPN e PNP. Si distinguono, nel simbolo grafico, per la freccia sull’ emettitore, che indica il verso CONVENZIONALE della corrente(se rivolta verso il basso è npn viceversa pnp).

CONFIGURAZIONI Essendoci 3 terminali, a seconda di quale viene connesso a massa si otterranno 3 diverse configurazioni e modalità di funzionamento : CONFIGURAZIONE CE ( EMETTITORE COMUNE ) CONFIGURAZIONE CB ( BASE COMUNE ) CONFIGURAZIONE CC ( COLLETTORE COMUNE) Nella configurazione CE il BJT fornisce Guadagno di corrente e di tensione (cioè di potenza) : la tensione e la corrente in OUT sono > di quelle in IN. Nella configurazione CB il BJT fornisce solo Guadagno di tensione. Nella configurazione CC il BJT fornisce solo Guadagno di corrente.

Tensioni e correnti Circolano 3 correnti :IE,IC,IB legate dalla relazione IE=IB+IC,inoltre possiamo calcolare anche l’HFE,cioè il guadagno di corrente in continua HFE = IC/IB. fra i 3 terminali (collettore,base,emettitore) si formano 3 tensioni : VBE(tra base ed emettitore),VCB(tra collettore e base),VCE(tra collettore ed emettitore). anch’esse legate da una relazione: VBE+VCB=VCE La tensione tra base ed emettitore In genere si aggira intorno a 0,6 V

REGIONI DEL BJT(npn) IL BJT può essere in 3 stati: SATURO(on) INTERDETTO(OFF) o in REGIONE ATTIVA. INTERDIZIONE: in uscita la corrente è 0 e la tensione è quella del generatore(vcc) SATURAZIONE:al contrario in uscita la corrente è la massima possibile,mentre la tensione è circa 0. ATTIVA: la tensione VCE è circa la metà del generatore, se Configurazione CE, l’ Emettitore (connesso a massa) emette elettroni che vengono attirati in Base, essendo qui il potenziale elettrico + alto ; il numero di elettroni è molto + grande del numero di lacune presenti in Base(a causa del diverso drogaggio), per cui la maggior parte degli elettroni viene spinta fino al Collettore, dove c’è un potenziale molto + alto che sulla Base

POLARIZZAZIONE DEL BJT(NPN) Con la polarizzazione possiamo determinare la sua regione: Se le due giunzioni JBE e JBC sono entrambe polarizzate inversamente (+ su N, - su P) ( VBE ≤ 0 , VCB >0, cioè VCE >VBE >0 ),,il transistor lavora nella zona di INTERDIZIONE ,inoltre basta portare la base a massa. Se le due giunzioni sono entrambe polarizzate direttamente( VBE > 0 , VCB <0 , cioè VCE < VBE), il transistor lavora nella zona di SATURAZIONE,per portarlo in questo stato si aumenta VBB o si diminuisce RB. Se la giunzione Base-Emettitore è polarizzata direttamente e la giunzione Base-Collettore è polarizzata inversamente , (VBE > 0 , VCB >0 cioè VCE > VBE >0),il transistor lavora in regione ATTIVA o lineare. emettitore-base ; base-collettore pol. Diretta pol. diretta ⇒ regione saturazione pol. diretta pol. inversa ⇒ regione attiva pol. inversa pol. inversa ⇒ regione interdizione Per il pnp le precedenti disequazioni si invertono.  

CIRCUITO DI POLARIZZAZIONE

Equazioni Dal circuito precedente possiamo ricavare i punti di lavoro in entrata e in uscita: QIN = (IB ; Vbe) QOUT = ( IC;VCE) Per calcolarli abbiamo bisogno delle seguenti equazioni: VBB = RB*IB + Vbe da cui ricaviamo le seguenti formule VCC = RC*IC + Vce inverse: IB = (VBB-VBE)/RB IC = hfe*IB VCE = VCC-RC*IC Inoltre sappiamo che la vbe è circa 0,6 V Nella slide successiva il circuito munito di amperometri e voltmetri .

Rette di carico